Methode: Umgang mit Gefahrstoffen

meth_leitregeln_gefahrstoff.htm 26.02.2014

Inhalt

1. Prinzipien der naturwissenschaftlichen Forschung

2. Prinzipien des Arbeitens mit System, Umgebung und Gleichgewicht

3. Umgang mit angeregtem Gleichgewicht und Gefahrstoffen

4. "Gute Laborpraxis Chemie"
4.1.
Umgang mit Stoffen, insbesondere Gefahrstoffen
4.2. Chemikalien Entsorgung
4.3. Entsorgungskonzept der "Soester Liste"

Literatur

1. Prinzipien der naturwissenschaftlichen Forschung

Ziel der naturwissenschaftlichen Forschung ist das Erkennen der Natur über die zufälligen Gegebenheiten der Natur hinaus. - Die natürlichen Evolution bezieht ihren Fortschritt aus zufälligen Variationen von Lebewesen und deren Eignung zur Anpassung an veränderte Lebensbedingungen. Das Wesen der menschlichen Forschung ist es, durch gezielt herbeigeführte Veränderungen, Erkenntnisse über Zusammenhänge in der Natur zu gewinnen. Zweck der Herbeiführung gezielter Veränderungen ist die Erkenntnis neuer, noch unbekannter Zusammenhänge, um die Lebensbedingungen des Menschen zu erleichtern.

Will man etwas herausfinden, was nicht unmittelbar in der Natur erkennbar ist oder vorkommt, muss man Unterschiede zum Gegebenen erzeugen.

Unterschiede zum existierenden Gleichgewicht der Natur herzustellen macht Arbeit und Mühe und geschieht im Labor (lat. labor die Arbeit, die Mühe).

 

2. Prinzipien des Arbeitens mit System, Umgebung und Gleichgewicht

Im Labor grenzt man einen Teil der Natur ab und nennt diesen Teil System.

Den Rest der Natur nennt man Umgebung.

Die Abgrenzung von System und Umgebung nennt man Systemgrenze. Die Systemgrenze kann rein gedanklich sein, sie kann aber auch materiell, z. B. als Wandung, existieren. Je nach Zweckmäßigkeit rechnet man mitunter die Systemgrenze entweder zum System oder zur Umgebung.

Man untersucht im Labor, wie sich das System auf Einflüsse von außen, der Umgebung, verändert.

Überlässt man lange Zeit ein System sich selbst, so setzt es sich mit seiner Umgebung ins Gleichgewicht.

 

3. Umgang mit angeregtem Gleichgewicht und Gefahrstoffen

Um ein natürliches Gleichgewicht zu stören, muss man Energie aufwenden oder/und eine Umverteilung von "Stoffen" vornehmen. Stoffen, die Energie aufgenommen haben, nennt man angeregte oder "aktivierte" Stoffe: das Gleichgewicht nennt man ein angeregtes oder "aktiviertes" Gleichgewicht. Angeregte Stoffe, die ein biologisches Gleichgewicht stören können, werden als Gefahrstoffe bezeichnet.

Stoffe, deren Konzentration durch den Menschen deutlich über das in der Natur vorkommenden Gleichgewicht gesteigert wurde, nennt man Chemikalien.

Gefahrstoffe sind angeregte Stoffe, die insbesondere bei Kontakt mit Stoffen eines biologischen Gleichgewichts, zu einer Störung des biologischen Gleichgewichts führen. Für den Umgang mit Gefahrstoffen sind besondere Maßnahmen erforderlich.

Mit unbekannten Stoffen muss umgegangen werden wie mit gefährlichen Stoffen, besonders dann, wenn sie in einem chemischen Prozess hergestellt worden sind.

Vor dem Betreten eines Raumes, in dem Gefahrstoffe lagern oder mit denen umgegangen wird, sind die persönlichen Schutzmaßnahmen zu treffen.

Vor dem Öffnen eines Gefäßes sind alle verfügbaren Informationen über den Umgang mit dem Stoff einzuholen.

Beim Umfüllen von Chemikalien müssen diese vollständig erfasst werden. Das Umfüllen von Stoffen geschieht immer in einem leicht zu reinigenden Raum oder über einer leicht zu reinigenden Fläche: Giftige Gase werden im Abzug umgefüllt, Flüssigkeiten und Feststoffe über einer sauberen Auffangschale.

Beim Umgang mit Gasen besteht unmittelbare Gefahr der Vergiftung, weil man 15 Atemzüge machen muss!

Beim Umgang mit Flüssigkeit besteht mittelbare Gefahr, da sie unbemerkt und ohne Absicht an Stellen gelangen kann, wo sie nicht hin darf. Essen, Trinken und Hautkontakt kann man jedoch in der Regel leicht vermeidet.

Beim Umgang mit Feststoffen besteht nachhaltige Gefahr. Man kann sie ordnungsgemäß lagern. Sie stellen erst eine Gefahr dar, wenn sie absichtlich in eine neue Umgebung gebracht werden. Sind die Lagerungesorte und die Inhalte des Lagers nicht mehr bekannt, stellen diese Lagerstätten eine Gefahr für die nächsten Generationen dar.

Man entnimmt einem Vorratsgefäß nur so große Portionen an Chemikalien, wie sie für den Versuch benötigt werden. Vor dem Experiment müssen Vorrate entfernt werden.

Wurde eine zu große Stoffportion dem Vorratsgefäß entnommen, so muss der Überschuss in das Gefäß zurückgegeben werden. Das setzt voraus, dass die Chemikalien bei der Entnahme oder beim Umfüllen nicht verunreinigt wurden!

Ein Experiment sollte stets unter Aufsicht ablaufen. Dazu sollten mindestens zwei Personen im Labor anwesend sein, die mit den laufenden Experimenten vertraut sind, so dass sie unnormale Abläufe erkennen und abstellen können.

Muss ein Experiment unbeaufsichtigt bleiben, so ist es mit seinem Zweck zu beschriften, mögliche Gefährdungen schriftlich zu kennzeichnen. Außerdem sind alle Stoffe zu kennzeichen und Zeitpunkt und Maßnahmen zur Beendigung zu hinterlassen.

 

4. "Gute Laborpraxis Chemie"

Verunreinigte oder gebrauchte Chemikalien müssen fachgerecht entsorgt werden. Das bedeutet, dass die Chemikalie in einen umweltverträglichen Stoff umgewandelt werden muss. Entsorgung setzt also Fachkenntnis voraus. Die fachgerechte Entsorgung nutzt das Wissen über die Existenz von natürlichen Gleichgewichten.

 

 

In der Organischen Chemie bei Molekülen, die aus den Elementen C, H, O, N, P und S bestehen, ist fast immer eine stabiler Zustand und Umweltgleichgewicht durch vollständige Verbrennung zu Wasser und Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Nitrat, Phosphat und Sulfat zu erreichen. Das setzt aber in der Regel Temperaturen oberhalb 1200°C voraus, was eine Verbrennung in dafür geeigneten Müllverbrennungsanlagen nötig macht.

In der Regel reicht es jedoch aus unbekannte Stoffe in bekannte Stoffe umzuwandeln, die dann in stark verdünnter Form biologisch abbaubar sind und damit in biologische Kreisläufe eingegliedert werden können. Eine gängige Umwandlung ist die vorsichtige Oxidation in kleinen Portionen mit Natriumperoxid in wässriger!! Lösung.

Bei Anwesenheit von Halogenen in organischen Molekülen ist jedoch große Vorsicht geboten. Halogenhaltige organische Verbindungen kommen in den biologischen Kreisläufen kaum vor und wenn doch, so handelt es sich hierbei meist um biologisch sehr wirksame Verbindungen.

Besonders die Elemente Fluor und Chlor sind schwer entsorgbar, das sie einerseits sehr stabile Kohlenstoff-Halogenverbindungen bilden und nur mit sehr hohen Temperaturen verbrannt werden können, andererseits durch ihre mit der (OH)-Gruppe vergleichbare Größe und gleiche Wertigkeit diese (OH)-Gruppe in biologisch hochwirksamen Molekülen ersetzen können. Halogen-Atome sind anders als O-H- Gruppen schlecht substituierbar, da sie nicht wie diese über zwei mögliche Angriffsstellen verfügen. So sind vielen Nervenkampfstoffe Moleküle, bei denen P-O-H Bindungen durch P-Cl-Bindungen ersetzt sind.

 

4.1 Umgang mit Stoffen, insbesondere Gefahrstoffen

In der Anorganischen Chemie ist die Umwandlung in umweltverträgliche Stoffe durch Verbrennen nur selten möglich. Hier nutzt man das gesamte chemische Wissen, um gefährliche Stoffe den biologischen Kreisläufen zu entziehen.

Man unter scheidet drei wesentliche Reaktionstypen:

  1. Redoxreaktion: Ein Elektron wird vollständig von einem Atom, einer Gruppe von Atomen oder einem Molekül abgegeben und von einem anderen Atom, einer Gruppe von Atomen oder ein Molekül aufgenommen.
  2. Säure-Basen-Reaktion: Ein Proton (in wässrigen Lösungen in hydratisierter Form) wird abgegeben und von einem andern Atom, eine Gruppe von Atomen oder ein Molekül aufgenommen.
  3. Komplex-Reaktion: ein Elektronenpaar wird von einem Atom, einer Gruppe von Atomen oder einem Molekül aufgenommen. Hierzu zählen auch die Additionsreaktionen.

Stoffe, die ein Gleichgewicht stabilisieren können, nennt man amphotere Stoffe, weil sie wie eine Balkenwaage zu zwei Seiten ausschlagen (reagieren) können.

zu 1. Ein Redox-Amphoter ist eine Lösung aus einem Gemisch von Eisen(II)-/ Eisen(III)-Ionen.

Das Gemisch reagiert mit starken Oxidationsmittel, in dem es den Anteil von Eisen(II)-Ionen zu Eisen(III)-Ionen oxidiert und dadurch das Oxidationsmittel reduziert. Mit starken Reduktionsmitteln wird der Eisen(II)-Ionenanteil zu Eisen-(II)-Ionen reduziert und das starke Reduktionsmittel oxidiert. Die entstehenden Eisen(II)-Ionen-Lösungen sind umweltverträglich. Sie werden durch den im Wasser gelösten Sauerstoff wieder oxidiert und im pH-neutralen Bereich als Eisen(III)-hydroxid bzw. Eisenoxid gefällt.

Ein weiteres Redox-Amphoter ist eine 3%ige Lösung von Wasserstoffperoxid (H2O2). Mit Oxidationsmittel wird das Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff oxidiert.

Oxidationsmittel geben Elektronen ab, Sauerstoff des Wasserstoffperoxid wird reduziert: H2O2 + 2 e- -> 2 OH-

Reduktionsmittel nehmen Elektronen auf, Sauerstoff des Wasserstoffperoxid wird oxidiert: H2O2 -> 2 H+ + O2 + 2 e-

Durch starke Reduktionsmittel wird das Wasserstoffperoxid zu Wasser reduziert. Ein geringer Überschuss von Wasserstoffperoxid ist im Abwasser umweltverträglich, da es zu einen durch den immer vorhandenen Faulschlamm reduziert wird und Bakterien sehr wirksame Enzyme (Peroxidase, Katalase) zur Zersetzung des an sich hoch toxischen Wasserstoffperoxids besitzen, da es im Verlauf der Zellatmung auch in den Zellen gebildet und entsorgt werden muss.

zu 2. Ein Säure-Basen-Amphoter ist das Natriumhydrogencarbonat. Es kann mit Säuren nach

2 H+ + [SO4]2- + 2 Na+ + 2 [HCO3]- -> 2 Na+ + [SO4]2- + 2 H2O + 2 CO2

reagieren und bildet dabei Umwelt-verträgliche Salz Natriumsulfat, Kohlenstoffdioxid und Wasser. Als Amphoter kann Natriumhydrogencarbonat auch mit Laugen reagieren:

Na+ + (OH)- + Na+ + [HCO3]- -> 2 Na+ + [CO3]2- + H2O

Hierbei bilden sich aus Natronlauge die Produkte Natriumcarbonat und Wasser. Natriumhydrogencarbonat neutralisiert also Basen und Säuren unter Bildung umweltverträglicher Stoffe.

zu 3. Bei Elektronenpaaraustausch-Reaktionen handelt es sich meistens um Komplexreaktion mit Zentralatom und Liganden. Es gibt hierbei gefährliche (giftige) Zentralatome (meistens Schwermetalle) und/oder gefährliche Liganden.

Schwermetalle-Ionen bilden in wässrigen Lösungen hydratisierten Kationen. Sie werden aus wässrigen Lösungen entfernt, indem man sie durch mit Hilfe von Redoxreaktionen durch ungiftige Metalle ersetzt. Sehr geeignet ist das ungiftige Eisen oder Magnesium als Reduktionsmittel. Zum Beispiel

Pb2+ + Fe -> Pb + Fe2+

Eine andere Möglichkeit ist die Komplexreaktion mit einem ungiftigen Liganden, die zu einer Fällung führt. Aus dem analytischen Trennungsgang der anorganischen Chemie weiß man, dass dazu Reaktionen mit basischen Carbonat-Lösungen geeignet sind. Hierbei bilden sich schwerlösliche Oxid-Hydrate oder Hydroxid-Carbonate. Für Schwermetallionen (zum Beispiel Ag+, Hg2+, Cu2+), die schwefelaffin sind, ist sind auch alkalische Sulfid-Lösungen geeignet, wobei allerdings der Überschuss an giftigem Sulfid in der wässrigen Lösung im Nachhinein noch mittels Eisen(II)-Lösung gefällt oder durch Oxidationsmittel zu Sulfat oxidiert werden muss.

Nichtmetallatome bilden in wässriger Lösung häufig Liganden. Dazu zählen die schon in geringer Konzentration umweltbeeinträchtigenden Liganden Fluorid, Cyanid, Cyanat, Sulfid, Sulfit. Nichtmetalle, aber auch Halbmetalle, können außerhalb von wässrigen Lösungen gefährliche Stoffe bilden. Hier sind vor allen gasförmige Wasserstoff- und Sauerstoff-Verbindungen zu nennen, zum Beispiel HF, HCl, H2S, H2Se, NH3, PH3. Hier empfiehlt es sich immer, zunächst eine stabile Oxidationsstufe zu erreichen. Wenn es dann noch nötig ist, sind die Liganden in einen stabilen Komplex mit ungiftigem Zentralatom zu bringen. Dieser stabile Komplex ist dann auszufällen oder einzudampfen. Grund für diese Vorgehensweise ist die Existenz vieler so hergestellten Verbindungen als Lagerstätten von Erzen, die allesamt schwer wasserlöslich sind und deshalb nur in geringer Konzentration in biologischen Kreisläufen vorkommen.

Eine ähnliche Vorgehensweise wird auch zur Reinigung von Sickerwasser vorgenommen, das am Boden von Sondermüll-Deponien aufgefangen wird.

 

4.2. Entsorgung

Eine Chemikalie muss fachgerecht entsorgt werden. Entsorgung setzt also Fachkenntnis voraus. Das bedeutet, dass die Chemikalien in einen umweltverträglichen Stoff umgewandelt werden muss, bevor sie aus dem Labor entfernt werden.

Ebenso dürfen chemische Produkte das Arbeitsfeld eines Chemiewerks oder technischen Betriebes nur mit einer gewissen Rest-Reaktivität verlassen. Die chemische Reaktivität im Chemiewerk muss auf die Zwecke beschränkt sein, die das chemische Produkt erfüllen soll. Der Hersteller für die Kennzeichnung der verbliebenen Gefahren bei dem chemischen Produkt verantwortlich.

 

4.3 Entsorgungskonzept der "Soester Liste"

Die "Soester Liste" ist eine Sammlung von Ausarbeitungen über den Umgang mit Gefahrstoffen in Experimenten. Sie wurden vom ehemaligen Landesinstitut für Schule in Soest (NRW).

Behandlung von Sonderabfällen in der Schule (in Teilen nicht mehr aktuell)
Entsorgung von Sonderabfällen
Aufarbeitung kleiner Mengen gefährlicher Stoffe
Entsorgung einzelner Chemikalien
Entsorgungsgefäße

 

baua: Schutzmaßnahmen (TRGS 500)
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